Розділ І. Світовий розвиток виробництва ядерного палива
1.1 Історія розвитку атомної енергії в Світі
Ще в прадавні часи I століття до нашої ери природний окис урану використовувався для виготовлення жовтої глазурі для кераміки. Перша важлива дата в історії дослідження урану - 1789 рік, коли німецький натурфілософ і хімік Мартін Генріх Клапрот відновив добуту з саксонської смоляної руди золотисто-жовту "землю" до чорної металоподобної речовини.
На честь найбільш далекої з відомих тоді планет (відкритої Гершелем вісьмома роками раніше) Клапрот, вважаючи нову речовину елементом, назвав його ураном. П'ятдесят років уран Клапрота значився металом. Тільки в 1841 французький хімік Ежен Мелькіор Пеліго довів, що, незважаючи на характерний металевий блиск, уран Клапрота не елемент, а оксид UO2. У 1840 Пеліго вдалося отримати справжній уран - важкий метал сіро-сталевого кольору і визначити його атомну вагу.
На рубежі XIX і XX ст. розщепленням атома займалися головним чином європейські вчені. А. Беккерель відкрив радіоактивність в 1896 м. Він показав, що всі сполуки урану радіоактивні, причому активність приблизно пропорційна кількості міститься в них урану. П. і М. Кюрі відкрили радіоактивний елемент радій в 1896 р. Його радіоактивність приблизно в мільйон разів більше радіоактивності урану. Без відкриття радію більша частина наступних робіт була б неможлива, і, можливо, до цього дня ми продовжували б пошуки пояснення радіоактивності. Е. Резерфорд в 1902р. розробив теорію радіоактивного розпаду, в 1911 р. відкрив атомне ядро і в 1919 р. спостерігав штучне перетворення ядер. А. Ейнштейн у 1905 р. розробив принцип еквівалентності маси і енергії. Він пов'язав воєдино два поняття: масу і енергію. Певній кількості матерії відповідає певна кількість енергії. Між ними існує залежність, яка визначається формулою Е = mc 2. Енергія (Е), що міститься в тілі, пропорційна його масі (т), і множником пропорційності є швидкість світла, взята у квадраті (з 2). Навіть у крихітній масі укладена величезна енергія. Н. Бор у 1913 р. розробив теорію будови атомів, яка лягла в основу фізичної моделі стійкого атома. У 1932 р. Дж. Чедвік відкрив нову елементарну частинку - нейтрон. У 1932 р. Д. Д. Іванченко висунув гіпотезу про будову атомного ядра з протонів і нейтронів.
Е. Фермі в 1934 р. першим використала нейтрони для бомбардування атомного ядра. З цього часу ядерна фізика стала швидко розвиватися. У 1937р. І. Кюрі відкрила розподіл урану під дією повільних нейтронів. Вирішувалося питання, які елементи народжуються, коли ядро атома урану захоплює нейтрон. До цих пір у всіх ядерних реакціях, при природному радіоактивному розпаді, в дослідах Резерфорда і в дослідах з штучного радіоактивності завжди утворювалися елементи, які стоять в сусідніх клітинах системи Д. І. Менделєєва.
Бор, який перебував у США з січня по травень 1939 р., багато зробив в цей період для швидкої розробки теорії, яка згодом привела до доказу особливої здатності урану-235 і плутонію до розщеплення. Таким чином, до середини 1939 р. вчені світу мали важливими теоретичними відомостями в галузі ядерної фізики, які дозволили висунути велику програму розвитку досліджень. Ці відкриття зробили в науковому світі сенсацію. У фізиці почалася нова, атомна ера.
Був створений Урановий комітет (Консультативний комітет з урану). До нього увійшли Л. Бріггс (голова), два артилерійські експерта - капітан 3-го рангу Дж. Гувер і полковник К. Адамсом. Бріггс включив до Комітету ще кількох людей, в тому числі Ф. Молер, А. Сакса, Л. Сциларда, Е. Вагнера, Е. Теллера, і Р. Робертса. Перше засідання уранового комітету відбулося в жовтні 1939 р.
17 червня 1942 р. Буш представив президентові доповідь, в якому виклав план розширення проекту з атомної бомбі. Доповідь містила такі положення:
1. Кілька кілограмів урану-235 або плутопія-239 представляють собою вибухівку, еквівалентну за потужністю кільком тисячам тонн звичайних вибухових речовин. Таку бомбу можна підривати в потрібний момент часу.
2.Існує чотири практично здійснювани методів отримання речовин: електромагнітний поділ урану, дифузійний поділ урану, поділ урану на центрифугах з отриманням у цих випадках ділиться ізотопу урану-235, а також отримання плутонію -239 за допомогою ланцюгової реакції. Не можна напевно стверджувати, що якийсь один з цих методів виявиться краще за інших.
3.Можна проектувати і будувати досить великі промислові установки.
4.При наявності необхідних фондів і прерогатив всю програму дій, мабуть, можна було почати досить швидко, щоб вона набула військове значення.
Матеріали були повернуті Бушу зі схваленням президента: Рузвельт віддав наказ негайно розпочати роботи зі створення атомної бомби. Влітку 1942 р. проект був переданий у відання армії. 18 липня 1942 полковник Дж. Маршалл отримав вказівку утворити новий округ інженерних військ для виконання спеціальної роботи - величезний комплекс організаційних заходів, дослідницьких і промислових робіт, якому надаються кадри вчених, лабораторії, промислові установки, розвідувальні органи.
Всі роботи зі створення атомної бомби протікали в обстановці абсолютної таємності. Дуже мало хто знав про те, що ховається за вивіскою Манхеттенського проекту.
У США засекретили навіть опубліковані раніше книги та статті, де йшлося про можливість створення атомної бомби. Так, з усіх бібліотек США були вилучені номери газет "Нью-Йорк Таймс» і «Сатердей івінінг пост» до статей У. Лоуренса, в яких розповідалося про атомну бомбу. Був відданий наказ записувати прізвище кожного, хто цікавився цими номерами газет, і ФБР потім з'ясовувало його особистість.
Кожна операція в загальному циклі робіт була побудована на принципі ізольованості. Кожен працівник знав тільки ті деталі проекту, які стосувалися його роботи безпосередньо. Навіть у разі крайньої необхідності для обміну інформацією між різними відділами вимагалося особливий дозвіл.
Одночасно з пошуками і відбором фахівців у своїй країні американці вели справжнє полювання за секретної науково-технічною інформацією, а також за вченими-атомники в Європі.
Американці дуже рівно ставилися до робіт з уранової проблеми, які велися союзниками - Англією та Францією.
На самому початку Рузвельт і Черчілль прийшли до наступної угоди: великі атомні заводи будуть будуватися в США, де їм не загрожують німецькі бомби, але англійці внесуть свій внесок у розробку атомної бомби. Під цим малося на увазі участь англійських вчених у роботі зі створення бомби і надання американцям результатів досліджень. Але минуло небагато часу, і від ідеального задуму довелося відмовитися. Англійським вченим почали лагодити усілякі перешкоди, їх не допускали до проведення деяких важливих робіт.
Випробування атомної зброї :
У центрі полігону Аламогордо була споруджена сталева вежа заввишки 30 м і масою 32 т. навколо неї на великій відстані була розміщена реєструюча апаратура. У 9 км на південь, північ і схід від башти глибоко під землею були обладнані три наглядових пункту. У 16 км від сталевої вежі знаходився командний пункт, звідки повинна була надійти остання команда. Ще далі, В30 км був розташований базовий табір, звідки вчені і військові могли спостерігати за ядерним вибухом. Два дні тривало підготовча робота. На вежі була встановлена апаратура для контролю.
Недалеко від башти, в старому ранчо, вчені приступили до останнього етапу збірки бомби. І хоча всі складові частини нової зброї пройшли випробування, вченим довелося пережити чимало неприємних хвилин. З великою обережністю готова бомба була піднята на вершину вежі в суботу 14 липня. Тепер вже все було готове до випробування. Представники армії урочисто підписали документ, що означає формальну передачу атомної зброї з рук вчених до рук військових.
У міру наближення моменту вибуху, умовно названого «нуль», загальна напруга наростало. Усіх присутніх попередили, що за сигналом сирени вони повинні негайно лягти на землю обличчям вниз, головою в бік, протилежний від місця вибуху; не дозволялося дивитися на спалах і вставати до закінчення ударної хвилі. Так наказувала інструкція.
За 45 секунд до вибуху було включено автоматичне вибуховий пристрій. З цього часу всі частини складного механізму діяли без контролю людини, і лише у запасного вимикача чергував співробітник, готовий за сигналом зупинити випробування.
Випробування нової зброї відбулося о 5 годині 30 хвилин 16липня 1945 Сліпуча спалах неприродно білого світла прорізала передранкові імлу. Здавалося, ніби багато сонць з'єдналося в одному і разом освітило полігон, позаду якого чітко позначилися гори.
Через кілька секунд пролунав сильний вибух, і потужна хвиля пронеслася над притулками, зваливши на землю кількох солдатів, які не встигли лягти. Вогненний куля стала рости, все більше і більше збільшуючись у діаметрі. Незабаром його поперечник становив уже півтора кілометра. Ще через кілька секунд вогненна куля поступився місцем стовпа клубочиться диму, який піднявся на висоту 12 км, прийнявши форму гігантського гриба, що став згодом зловісним символом ядерного вибуху.
А потім затремтіла земля і знову пролунав гуркіт. Це був перший крик новонародженого: атомний вік з'явився на світ. Потужність підірваної бомби перевершила всі очікування.
Потужність вибуху дорівнювала 20 тис. т тринітротолуолу. Такий ефект могли викликати 2 000 найбільших бомб часів Другої світової війни, які за їх небувалу за тим масштабам силу називали «руйнівники кварталів».
Ядерний вибух здатний миттєво знищити або вивести з ладу незахищених людей, відкрито стоячу техніку, споруди і різні матеріальні кошти. Основними вражаючими чинниками ядерного вибуху є:
Ударна хвиля
Світлове випромінювання
Проникаюча радіація
Радіоактивне зараження місцевості
Електромагнітний імпульс
І вже 20 грудня 1951 року ядерний реактор вперше в історії людства виробив придатну для використання кількість електроенергії — в нинішній Національній Лабораторії INEEL Департаменту енергії США. Реактор виробив достатню потужність, щоб запалити простий ланцюжок з чотирьох лампочок 100-ватів. Після другого експерименту, проведеного наступного дня 16 учених і інженерів, що брали участь в ньому, «увічнили» своє історичне досягнення, написавши крейдою свої імена на бетонній стіні генератора.
Того ж дня експериментальний реактор-брідер EBR-1, що розміщувався в маленькій будівлі, яка і сьогодні як і раніше самотньо стоїть на відкритій всім вітрам рівнині в південно-східному Айдахо, підвищив виробок до 100 кіловат, що було достатнє для живлення всього його електроустаткування. Перша експериментальна мета EBR-1 полягала в розробці і перевірці концепції реактора-брідера. 4 червня 1953 року Комісія з Атомної Енергії США оголосила, що реактор EBR-1 став першим реактором в світі, що продемонстрував брідінгплутонію з урану. В 1972 на розроблюваному з 1958-го року родовищі урану "Окло" в Габоні були виявлені сліди ланцюгової реакції. Подальші дослідження підтвердили, що тут приблизно 2.0-1.8 мільярдів років тому діяв єдиний відомий на поточний момент природній реактор.
У 1962 році він став першим в світі реактором з плутонієвою активною зоною, який виробив електроенергію. Протягом всього наступного року, він був джерелом цінних даних по брідінгу в реакторі з плутонієвим паливом і допомагав вченим краще зрозуміти поведінку плутонію в реакторі, що діяв. 30 грудня 1963 року реактор був офіційно зупинений. 26 серпня 1966 року він був оголошений національним історичним пам'ятником.
Рис. 1.1 Історія розвитку світової ядерної енергетики по роках:
(*Верхній графік — кількість енергії (Гігават), що виробляється АЕС,
* Ніжній — кількість АЕС, що діють)
Перша в світі атомна електростанція потужністю 5 МВт була запущена 27 червня 1954 року в СРСР, в місті Обнінськ, розташованому в Калузькій області. У 1958 році було введено в експлуатацію 1-а черга Сибірської АЕС потужністю 100 МВт (повна проектна потужність 600 МВт). Того ж року розвернулося будівництво Белоярської промислової АЕС, а 26 квітня 1964 року генератор 1-ої черги дав струм споживачам. У вересні 1964 року був пущений 1-й блок Нововоронежськой АЕС потужністю 210 МВт. Другий блок потужністю 350 Мвт запущений в грудні 1969. У 1973 почала своє функціонування Ленінградська АЕС.
За межами СРСР перша АЕС промислового призначення потужністю 46 Мвт була введена в експлуатацію в 1956 році в Колдер-Холі (Великобританія). Через рік вступила в лад АЕС потужністю 60 МВт в Шиппінгпорті (США).
Щодо України, то атомна енергетика України бере свій початок з 1977 року, коли було введено в експлуатацію перший енергоблок Чорнобильської АЕС. Відповідно до планів розвитку атомної енергетики в колишньому Радянському Союзі на території України мало бути споруджено 9 атомних електростанцій. За період з 1977 по 1989 рік планувалося ввести в експлуатацію 16 енергоблоків загальною потужністю 14800 МВт на 5 атомних станціях: Запорізькій, Рівненській, Хмельницькій, Чорнобильській, Южно-Українській.
Зростаюча потреба в електроенергії сприяла швидкому будівництву атомних енергоблоків: на час техногенної аварії на четвертому енергоблоці Чорнобильської АЕС у квітні 1986 році в Україні перебувало в експлуатації 10 енергоблоків, 8 з яких потужністю 1000 МВт (чотири ВВЕР-1000 та чотири РВПК-1000). 3 1986 року і до 1990 року було введено в експлуатацію ще 6 атомних енергоблоків потужністю 1000 МВт кожний: три на Запорізькій АЕС й по одному на Южно-Українській, Рівненській та Хмельницькій АЕС. Проте після аварії на Чорнобильській АЕС, у серпні 1990 року Верховна Рада України оголосила мораторій на спорудження і введення в експлуатацію нових атомних енергоблоків, в результаті чого будівництво нових енергоблоків Хмельницької, Запорізької і Рівненської АЕС було призупинене.
Після скасування Верховною Радою України мораторію постали питання, пов’язані з відновленням і реконструкцією недобудованих енергоблоків. Спорудження і введення були необхідні насамперед для компенсації потужностей енергоблоків, що відробили свій ресурс, заміни блоків, що не задовольняють сучасним вимогам безпеки.
У грудні 1991 року підприємства атомної енергетики були об'єднані у концерн «Укратоменергопром», який у січні 1993 було реорганізовано у Державний комітет України з використання ядерної енергії – Держкоматом України.
У 1993 році були відновлені роботи на 6-му блоці Запорізької АЕС, 4-му блоці Рівненської та 2-му - Хмельницької АЕС.
У жовтні 1995 року відбувся енергетичний пуск 6-го блоку Запорізької АЕС. Запорізька атомна станція із встановленою потужністю 6 млн кВт стала найбільшою в Європі.
17 жовтня 1996 року постановою Кабінету Міністрів України №1268 було створено державне підприємство «Національна атомна енергогенеруюча компанія «Енергоатом».
Чорнобильська АЕС — перша українська атомна електростанція, експлуатацію якої припинено до закінчення проектного ресурсу. Нині три блоки станції з реакторами РБМК-1000 перебувають на етапі зняття з експлуатації, зокрема, 2-й енергоблок - з 1991 року після пожежі у машинному залі, 1-й енергоблок - з 1996 року за рішенням українського Уряду, 3-й блок зупинено наприкінці 2000 року.
Постановою Кабінету Міністрів України № 399 від 25 квітня 2001 року Чорнобильську АЕС виведено зі складу НАЕК «Енергоатом». Їй надано статус державного спеціалізованого підприємства.
Після закриття Чорнобильської АЕС в Україні залишились в експлуатації 4 атомні електростанції з реакторами типу ВВЕР: Запорізька, Рівненська, Хмельницька та Южно-Українська, на яких працює 15 ядерних енергетичних установок із загальною встановленою потужністю 13835 МВт.